차세대 적외선 기술로 고속 자동차 시험 문제를 해결

고속 열화상 카메라로 설계 단계 시험 개선

내연 기관, 브레이크 로터 및 타이어, 고속 에어백에 관련 제품 연구 및 개발은 고속, 고감소 열 특성 시험이 반드시 요구되는 특수한 분야입니다. 안타깝게도 열전대와 같은 기존 형태의 접촉식 온도 측정은 움직이는 물체에 장착할 수 없으며 스팟(spot) 건이나 적외선 카메라와 같은 비접촉 형식의 온도 측정은 고속 물체를 스톱 모션을 촬영하기에는 충분히 빠르지 않아 정확한 온도 측정이 어려울 수 있습니다.

적절한 열 측정과 시험을 위한 적절한 도구가 없다면 자동차 설계 엔지니어는 시간과 노력을 낭비하게 되고 결함을 찾지 못해 제품이 손상되거나 비용 부담이 큰 리콜이 발생할 수도 있습니다. 예를 들어, 미국 자동차 제조업체들은 보조석 활성화 시스템의 미세한 균열에서부터 인플레이터 결함에 이르는 문제점을 지닌 에어백 결함으로 인해 최근에 수 백 만 대의 자동차, SUV, 트럭을 리콜했습니다. 결함 있는 시스템은 운전자에게 위험 할 뿐만 아니라 소송, 벌금, 신뢰성 상실 등 제조업체에게도 상당한 리스크가 될 것입니다.

차세대 적외선 카메라 기술은 엔지니어에게 솔루션을 제공합니다. 이 카메라는 초 당 1000 프레임 속도로 이미지를 캡쳐할 수 있는 640 x 512 픽셀 고해상도 감지기를 통합합니다. 또한 변위층초격자(SLS)와 같은 새로운 탐지기 재료는 기존의 MCT나 양자 우물 적외선 광 검출기(QWIP) 재료보다 우수한 균일성과 양자 효율성을 결합한 다양한 온도 범위를 제공합니다. 원격으로 동기화하고 조작할 수 있는 기능 외에도 새로운 기술은 엔지니어와 기술자들은 까다로운 고속 자동차 시험을 수행하기 위해 필요한 도구를 제공합니다.

고속 관련 문제점

빠르게 움직이는 물체의 온도를 측정하는 것은 까다로운 작업입니다. 열전대를 이용한 기존의 온도 측정 방식 움직이는 시스템에는 효과적이지 못합니다. 스팟(spot) 고온계와 같은 비접촉식 온도 측정은 빠르게 움직이는 물체에서 정확한 검침을 수행하거나 고속 표적의 열 특성을 정확하게 추적하기 위해 필요한 반응 속도가 충분하지 않습니다.

비냉각식 마이크로볼로미터 감지기가 장착된 적외선 카메라 역시 너무 빠른 속도에서는 온도를 정확하게 측정할 수 없습니다. 이 카메라는 장시간 노출을 이용하기 때문에 열화상 이미지에 블러 현상이 발생할 수도 있습니다. 매우 빠르게 움직이는 표적의 온도를 정확하게 측정하고 시각화하기 위해 짧은 노출 시간과 빠른 프레임 속도를 지닌 냉각식 열화상 카메라가 필요합니다. 고속 혈 측정과 관련한 각 제품의 장단점을 이해하기 위해 탐지기 타입을 비교해볼 필요가 있습니다.

열 감지기 대 양자 감지기

열 감지기와 양자 감지기 간 차이점은 센서가 적외선 복사 에너지를 데이터로 변환하는 방법에 있습니다. 비냉각식 마이크로볼로미터와 같은 열 감지기는 우발적인 복사 에너지에 반응합니다. 적외선 복사 에너지는 픽셀을 가열시켜 저항 변화에서 반사되는 온도 변화를 만듭니다. 비냉각식 마이크로볼로미터 카메라의 장점은 내구성, 휴대성, 저렴한 가격입니다. 그러나 초 당 60 프레임의 느린 속도와 느른 반응속도(시간 상수)와 같은 단점도 있습니다. 이로 인해 비냉각식 마이크로볼로미터는 빠르게 움직이는 물체의 선명한 스톱 모션 이미지를 만들 수 없습니다. 대신 느린 프레임 속도와 응답 시간으로 인해 이미지에 블러 현상이 생기고 결국 온도 값이 부정확해집니다. 또한 느린 프레임 속도로 인해 카메라는 빠르게 가열되는 물체의 특성을 정확하게 파악할 수 없습니다.

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이와는 달리 안티몬화 인듐(InSb), 갈륨비소(InGaAs) 또는 변위층초격자 (SLS)로 제작된 양자 감지기는 광발전식입니다. 감지기의 결정 조직이 전자를 높은 에너지 상태로 올려주는 광자를 흡수하고 이로 인해 재료의 전도성이 변화됩니다. 이 감지기를 냉각시키면 적외선 방출에 매우 민감해져 18 mK 또는 018°C 미만의 온도차를 감지할 수 있습니다. 양자 감지기는 또한 수 밀리초가 아닌 마이크로초 시간 단위로 시간 상수와 함께 온도 변화에 신속하게 반응합니다. 이러한 짧은 노출 시간과 빠른 프레임 속도의 조합으로 양자 감지기는 빠르게 가열되는 표적에서 지속적으로 온도가 상승하는 정도에 관한 적절한 특성을 파악할 수 있을뿐만 아니라 정확한 온도 측정을 위해 빠르게 움직이는 표적의 스톱모션을 촬영할 수 있습니다. 이 카메라는 일반적으로 비냉각식 마이크로볼로미터 카메라보다 가격이 비싸고 더 큽니다. 몇몇 연구팀은 이러한 요소를 고려해야 할 수도 있습니다.

빠른 프레임속도만으로는 충분하지 않은 고속 촬영

앞서 간략히 언급했듯이, 초 당 수 백, 수 천 프레임을 기록하는 능력은 스톱 모션에 필요한 기능 중 하나일 뿐입니다. 이 상황에 필요한 또 다른 요소는 노출 시간 또는 카메라가 각각의 프레임을 위한 데이터를 얼마나 오랫동안 수집 하느냐입니다.

노출 시간은 디지털 카메라의 셔터 속도와 같습니다. 셔터가 너무 오랫동안 개방되면 이미지 모션에 블러 현상이 발생합니다. 마찬가지로 긴 노출 시간을 갖는 적외선 이미지는 블러 현상과 함께 모션을 기록하게 됩니다. 예를 들어, 튕기는 공을 촬영할 경우 혜성과 같이 공 뒤에 흔적을 남기게 됩니다.

아날로그-디지털 변환기나 채널 수, 고속에서 픽셀을 처리하기 위한 카메라 기능 역시 중요합니다. 고속 적외선 카메라는 일반적으로 최소 16개의 채널을 가지며 최소 200 MP/ 초의 처리 속도(또는 픽셀 클록 속도)를 갖습니다. 대부분의 저성능 카메라에는 4개의 채널이 있으며 50 MP/초 미만의 픽셀 클록 속도로 작동합니다.

표적의 온도는 통합 속도에 영향을 미치며 궁극적으로 디지털 카운트에도 영향을 미칠 수 있습니다. 카메라는 디지털 카운트를 표적의 온도 값을 위해 사용되는 광휘값으로 변환합니다. 뜨거운 물체일수록 더 많은 복사 적외선 에너지를 방출하기 때문에 더 많은 광자를 방출하게 되고, 반면 차가운 물체일수록 더 적은 광자를 방출하게 됩니다. 빠른 프레임 속도는 짧은 노출 시간이 필요하기 때문에 빠른 프레임 속도에서 차가운 표적의 온도를 정확하게 측정하는 방법을 연구해야 합니다.

또한 이전 세대 판독 출력 통합 회로 (ROIC) 기존의 감지기가 낮은 우물 충전(well fill)에서 비선형이라는 사실로 인해 문제는 더욱 심각해집니다. 이로 인해 불균일 보정이 이뤄지고 화질이 저하되며 온도 측정 정확도의 신뢰성이 떨어집니다. 차세대 판독 출력 통합 회로 (ROIC) 설계가 적용된 감지기는 낮은 우물 충전에 선형성을 제공하기 때문에 차가운 표적에서 고속으로(짧은 노출 시간) 정확한 측정이 가능합니다. 이와 같이 고속 적외선 카메라에는 낮은 우물 충전에 대해 선형 반응하는 차세대 판독 출력 통합 회로 (ROIC)가 장착되어 있어야 합니다.

적절한 타이밍

고려해야 할 또 다른 요인은 회전하는 브레이크 디스크와의 동기화나 연소 기관의 점화와 같은 외부 이벤트와 동기화하고 이 이벤트에 따라 카메라를 작동시키게 하는 기능입니다. 카메라 시스템을 내장 시계에서 작동할 때 감지기의 통합 시작점과 데이터 출력은 시계로 설정됩니다. 노출 시간과 정확하게 일치하지 않는 경우 일부 또는 전체 이벤트를 놓칠 수 있습니다. 별도의 트리거링 시스템을 통해 통합 시작 시간과 프레임 속도를 엄격하게 제어함으로써 검침 결과를 보다 정확하게 동기화할 수 있습니다. 비냉각식 마이크로볼로미터 감지기 카메라는 외부에서는 제어될 수 없는 열 저항 요소가 있기 때문에 이 기능을 제공하지 못합니다. 이러한 이유로 광자 카운팅 감지기 카메라는 고속 열 시험에 반드시 필요합니다.

고감도가 핵심

냉각식 적외선 카메라의 가장 큰 이점은 감도입니다. 냉각식 카메라는 0.02°C의 미세한 온도 변화를 감지할 수 있습니다. 일반적으로 비냉각식 카메라의 감도는 약 0.03°C입니다. 01°C 차이가 작아 보일 수 있지만 이는 감도에서 30% 개선을 의미합니다. 냉각식 카메라는 적은 디지털 노이즈를 만들 뿐만 아니라 생성되는 이미지는 보다 정교한 디테일을 갖습니다. 그러한 미세한 온도 변화를 감지할 수 있는 기능을 통해 아주 작은 과열점을 감지할 수 있습니다.

장파장 적외선 이점

비냉각식 마이크로볼로미터의 한 가지 이점은 7.5 - 14 μm 스펙트럼 범위에서 장파장 적외선을 탐지한다는 점입니다. 단파장이나 중파장보다 장파장 대역에서 더 많은 광자가 통과합니다. 이는 양자 감지기가 전하를 생성하기 위해 충분한 광자를 모으는 데 상대적으로 적은 시간이 걸림을 의미합니다. 특히 30°C의 흑체는 중파장 4-5 μm 범위에서보다 8-9 μm 범위에서 10배 더 많은 광자를 방출합니다. 일반적으로 양자 감지기는 단파장이나 중파장 적외선에서 작동합니다. 그러나 변위층초격자 (SLS)(변위층초격자)로 제작된 감지기는 7.5- 9.5 μm 스펙트럼 범위에서 장파장 적외선을 감지합니다. 감지해야 할 더 많은 광자가 존재하기 때문에 변위층초격자 (SLS) 감지기의 노출 시간은 매우 짧고 안티몬화 인듐 (InSb) 감지기보다 12배 더 빠릅니다.

이는 광자를 전자로 변환할 때 다른 양자 감지기보다 효율적이며 차가운 표적을 이미지화할 때 더 큰 열 대비를 제공합니다. 장파장 적외선(LWIR) 변위층초격자 (SLS) 감지기는 훨씬 더 넓은 온도 범위와 훨씬 더 짧은 노출 시간을 제공하기 때문에 넓은 온도 대역에서 가열되거나 매우 빠르게 움직이는 표적을 정확하게 촬영할 수 있습니다.

성공이 곧 안전

자동자 엔지니어링의 설계 및 시험 단계 동안 열화상을 활용함으로써 연구 및 개발 팀들은 보다 쉽게 문제점을 찾아 전체적인 제품 성능과 안전을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 유형의 카메라와 기능은 이미지화 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 최고 속도와 감도 및 노출 시간을 사용할 수 있는 냉각식 열화상 카메라를 선택할 경우 연구자들은 고속 물체의 온도 변화를 지속적으로 정확하게 추적할 수 있습니다. 또한 이 카메라는 선명하고 디테일한 스톱 모션 프레임을 제공하기 때문에 온도와 해당 제품 열 특성 정확하게 측정해 문제가 시작되는 정확한 위치를 확인할 수 있습니다.